理工學(xué)院俞江帆教授團(tuán)隊(duì)在ACS Nano上發(fā)表文章
近日，香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院的俞江帆教授團(tuán)隊(duì)在《ACS Nano》發(fā)表題為“An Overview of Micronanoswarms for Biomedical Applications”的綜述文章。ACS Nano是材料科學(xué)國際頂級(jí)期刊，以發(fā)表納米科學(xué)各個(gè)方面的突破性研究為主，期刊以其優(yōu)質(zhì)內(nèi)容和高影響力而著稱。ACS Nano 2021年的影響因子為15.881，JCR分區(qū)Q1。
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1.文章要點(diǎn)
納米機(jī)器人集群技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中具有十分廣闊的應(yīng)用前景。成千上萬甚至上百萬的微小智能體的集體行為有利于推動(dòng)臨床治療和診斷方法的發(fā)展。近年來，隨著智能材料、遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)方式和自動(dòng)控制方法的進(jìn)步，納米機(jī)器人集群的運(yùn)動(dòng)靈巧性、環(huán)境適應(yīng)性和功能通用性得到了提高。研究表明，納米機(jī)器人集群可以作為一種活體內(nèi)的靈巧平臺(tái)以執(zhí)行醫(yī)學(xué)相關(guān)任務(wù)。本文主要總結(jié)了近年來納米機(jī)器人集群在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面的研究進(jìn)展，也對(duì)該領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了討論，旨在為推動(dòng)其進(jìn)一步發(fā)展提供參考。
文章中圖1. 納米機(jī)器人集群的四個(gè)研究方向示意圖
2.綜述內(nèi)容
作者首先對(duì)近年來人工、活體和生物雜化型納米機(jī)器人集群的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究進(jìn)行了總結(jié)，并介紹了納米機(jī)器人集群在靶向藥物遞送、熱療、成像和傳感以及溶栓治療方面的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。
在納米機(jī)器人集群結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，組成人工納米機(jī)器人集群的主要單元之一是微納米顆粒。在外部物理場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，納米顆粒之間相互作用并形成特定形態(tài)的納米機(jī)器人集群。通過改變驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的參數(shù)，可以使納米機(jī)器人集群具備變形，重構(gòu)和運(yùn)動(dòng)能力，以滿足任務(wù)需求。同時(shí)，體內(nèi)含有磁小體的趨磁性微生物（如趨磁細(xì)菌），可組成活體納米機(jī)器人集群。趨磁細(xì)菌可以對(duì)外加磁場(chǎng)做出響應(yīng)，進(jìn)行可控運(yùn)動(dòng)。生物雜化型納米機(jī)器人集群主要由人工材料和自然微生物組成。由于該類型集群既具備生物的固有特性進(jìn)行定向引導(dǎo)（如趨氧性、趨光性等），又同時(shí)可以通過改造人工材料的部分進(jìn)行功能化作用（如載藥、殺菌等），因此也得到了廣泛研究，特別是由細(xì)菌和磁性材料組成的納米機(jī)器人集群有望成為下一代自主靶向給藥的平臺(tái)。本文著重介紹了基于脂質(zhì)和聚合物的納米機(jī)器人集群、以及趨磁性微生物集群在小鼠體內(nèi)的靶向藥物遞送。
文章中圖2. 人工、活體和混合型納米機(jī)器人集群。a-e: 人工納米機(jī)器人集群。g，h：活體納米機(jī)器人集群。i：混合納米機(jī)器人集群。
文章中圖3. 靶向藥物遞送。a-i：體外靶向藥物遞送。j-l：體內(nèi)靶向藥物遞送。
納米機(jī)器人集群在熱療法方面，作者著重介紹了光熱療和磁熱療的研究進(jìn)展。在近紅外光照射下，通過改變納米機(jī)器人集群組成單元的形態(tài)可以提高光熱療效率，有效減少小鼠腫瘤體積。同時(shí)，基于體內(nèi)環(huán)境刺激形成的納米機(jī)器人集群也是一種有效的光熱療方法。通過修飾微納米顆粒，使其獲得酶或者pH敏感性，當(dāng)納米顆粒接觸特定環(huán)境后，可以聚集成規(guī)模更大的集群，從而提高集群的滯留時(shí)間和治療效率。在磁熱療方面，作者對(duì)提高納米機(jī)器人集群在交變磁場(chǎng)下加熱能力的因素進(jìn)行了介紹，包括提高粒徑、使形狀規(guī)格和提高濃度等。同時(shí)，本文提到由于光熱療較低的穿透性以及磁熱療較大的濃度需求，光熱療和磁熱療的聯(lián)合治療近年來受到人們的關(guān)注，它們的協(xié)同效應(yīng)展示出了更好的治療效果。
文章中圖4. 熱療。a1-a7：光熱療。b1-b6：磁熱療。b7：光磁聯(lián)合熱療。
為了精確導(dǎo)航和操縱納米機(jī)器人集群，需要實(shí)時(shí)觀察它們的位置，這需要高效的成像方式。由于納米機(jī)器人集群濃度高，相對(duì)于單個(gè)微納米機(jī)器人，可以提供更好的成像對(duì)比度以增強(qiáng)成像效果。作者對(duì)納米機(jī)器人集群的熒光成像、磁共振成像(MRI)、超聲成像(US)和多模態(tài)成像進(jìn)行了介紹和對(duì)比。同時(shí)，納米機(jī)器人集群到達(dá)目標(biāo)位置后，可以探測(cè)目標(biāo)生物信號(hào)，如腫瘤生長，pH，氧濃度等，提供大量病理資料以協(xié)助醫(yī)生及時(shí)調(diào)整治療方案。
文章中圖5. 成像和傳感。a，b：熒光成像。c：磁共振成像。d：超聲成像。e：多模態(tài)成像。f-h：腫瘤傳感。i，j：pH傳感。k：氧濃度傳感。l：出血傳感。m：血腦屏障傳感。
在溶栓治療方面，現(xiàn)行的溶栓藥物具有半衰期短，潛在出血并發(fā)癥，和過敏反應(yīng)等副作用。通過將溶栓藥物與納米機(jī)器人集群結(jié)合，提高了藥物的靶向率和局部藥物濃度，并減少了副作用。本文也調(diào)研了在低強(qiáng)度聚焦超聲下，納米機(jī)器人集群的全氟己烷相變的溶栓能力，通過觀察不同組的血栓重量的變化驗(yàn)證了該方法血栓溶解的有效性。但作者提到全氟己烷相變的生物安全性還有待研究，如可能造成組織損傷等。
文章中圖6. 溶栓。a-c：溶栓藥物溶栓。d-f：全氟己烷相變?nèi)芩ā?/span>
3.綜述討論
納米機(jī)器人集群具有精準(zhǔn)靶向定位運(yùn)動(dòng)、易功能化裝載藥物等能力，拓寬了納米機(jī)器人集群的應(yīng)用范圍，可以完成多種復(fù)雜任務(wù)，如靶向藥物遞送、精確的局部熱療、實(shí)時(shí)成像傳感以及血栓移除。應(yīng)用環(huán)境條件也從實(shí)驗(yàn)室理想人工溶液環(huán)境擴(kuò)展到復(fù)雜的體內(nèi)環(huán)境。然而，納米機(jī)器人集群在臨床應(yīng)用方面仍有局限性。納米機(jī)器人集群的細(xì)胞毒性仍需要進(jìn)一步降低，需進(jìn)一步開發(fā)具有良好的生物可相容性、生物可降解性的新材料。需繼續(xù)研發(fā)針對(duì)納米機(jī)器人集群的可適應(yīng)性控制策略、以及形態(tài)重構(gòu)方法，進(jìn)一步提高集群的靶向率。適用人體的外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備和深層組織成像技術(shù)也將在納米機(jī)器人集群從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化到臨床應(yīng)用的過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。通過不同領(lǐng)域的努力和密切合作，納米機(jī)器人集群將被賦予無限潛力。
4. 作者簡(jiǎn)介
發(fā)表文章通訊作者為香港中文大學(xué)（深圳）助理教授俞江帆
俞江帆教授是香港中文大學(xué)（深圳）的助理教授，智能微納米機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室PI，AIRS微納米機(jī)器人研究中心副主任（主持中心工作），中國微米納米技術(shù)學(xué)會(huì)，微納米機(jī)器人分會(huì)理事，IEEE/ASME會(huì)員，香港中文大學(xué)（深圳）校長青年學(xué)者，2021 Forbes 30 under 30獲得者。俞教授多年來始終從事微納米機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作機(jī)理、驅(qū)動(dòng)模式、控制系統(tǒng)搭建相關(guān)的研究，同時(shí)也開展了大量相關(guān)生物醫(yī)療問題的創(chuàng)新型研究。俞教授在國際頂級(jí)期刊和會(huì)議上共發(fā)表了包括Nature Communications，Science Robotics, International Journal of Robotics Research，IEEE Transactions on Robotics在內(nèi)的30余篇學(xué)術(shù)論文。他的研究成果被Nature、Science、CNN等機(jī)構(gòu)重點(diǎn)報(bào)道。
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